中国电子元件行业协会
China Electronic Components Association
同济大学翟继卫教授团队在Journal of Materiomics第11卷第4期发表了题目为“Diffusosphere engineering in BNT-based multilayer heterogeneous film capacitors for high performance”的研究论文。
电介质储能材料具有高功率密度、快速的充放电速度以及长循环寿命等优点，有望在混合动力汽车、大功率换能器以及大功率脉冲设备中得到广泛应用。然而，当前大部分电介质电容器的储能密度和效率都较低，限制了在先进电子器件的进一步发展。面对这一挑战，翟继卫教授研究团队基于钛酸铋钠（BNT）基薄膜，采用分别具备高击穿强度与高极化特性的BNT基材料，构建出多层异质薄膜，有效融合了两种材料的优势。重要的是，薄膜中异质界面现象减弱，取而代之的是由两相离子相互扩散形成的扩散层。该扩散层作为两异质相过渡区，既缓解了界面电荷聚集，又优化了薄膜的弛豫特性与击穿特性，从而提升了电介质薄膜的能量存储特性。
电介质电容器由于具有快速充放电和高功率密度的特性，在能量存储中起着至关重要的作用。电介质电容器的能量存储能力与其极化强度和击穿强度成正比例关系。在电介质材料中，铁电材料通常具有较高的饱和极化，同时具有相对较高的剩余极化和较低的击穿场强。相比之下，弛豫铁电体虽然饱和极化较低，但其剩余极化很低，同时其击穿场强较高。由高极化相和高击穿相组成的多层异质电介质可以同时保留两相的优点，从而提高能量存储性能。多层异质薄膜仍面临着一个挑战。当对多层异质电介质施加一定的电场时，分配到各异质层的电场与其各自介电常数成反比例关系。若异质交替处存在明显的界面，界面两侧的电场差异将导致界面处的电荷积累，从而诱导界面极化和局部电场放大。高外加电场下电荷的积累严重，有可能导致电容器过早击穿。
针对多层异质电介质的上述局限性，翟继卫教授研究团队提出，在高极化相和高击穿相的交替处引入一个过渡层，既可以有效消除两相间的清晰界面，防止电荷聚集，又能够保留两相各自的优点。当交替存在的异质两相具有相同的晶体结构和相似的离子半径时，高温下的离子运动会导致两相间元素的相互扩散。因此，在多层异质薄膜电介质的异质交替处能够存在具有一定厚度的扩散层。该扩散层可以在介电常数不同的两相之间起到缓冲作用，重排不同相之间的电场分布，减少原有界面两端的电荷聚集，提高电介质电容器的击穿电场，进而优化其能量存储性能。具体地，翟继卫教授研究团队采用分别具有高击穿强度与高极化特性的BNT基材料，构建出多层异质薄膜，有效融合了两种材料的优势。重要的是，薄膜中异质界面现象减弱，取而代之的是由两相离子相互扩散形成的扩散层。该扩散层作为两异质相过渡区，既缓解了界面电荷聚集，又优化了薄膜的弛豫特性与击穿特性，从而提升了电介质薄膜的能量存储特性。
Fig. 1. (a) Dielectric constant and electric field distributions for two models with distinct interfaces and diffusion layers, respectively. (b) Schematic diagram of achieving high energy storage performance in multilayer heterogeneous film capacitor.
Fig. 2. (a) XRD patterns, Magnified (b) (100), (c) (110), (d) (200) diffraction peaks of the BNT-based multilayer films. (e) Cross-TEM image and EDS mapping of the F6 film. The blue-dotted rectangle in TEM image marks the area where EDS maps are acquired. The maps from left to right are O, Na, Bi, Ba, Zr, Ti, Mg, Sr, Zn, respectively.
Fig. 3. (a)–(f) The electric field and (g)–(l) electric potential distributions, as well as electrical tree evolutions at 2714 kV/cm for F0S, F2, F4, F6, F12, and F0Z films, respectively. (m) Electric field and (n) electric potential distributions, as well as electrical tree evolutions at the Eb for F6 model. (o) Weibull plots and (p) energy storage performances for the dielectric breakdown strength for the multilayer films. (q) Comparison of the capacitor performance of the F6 thin film with other BNT-based thin film capacitors.
作者介绍
钱进，2024年博士毕业于同济大学材料科学与工程学院，现为同济大学博士后。他目前的主要研究方向是压电（应变）和电介质储能材料的微结构调控与性能优化。
翟继卫，1997年博士毕业于西安交通大学电子信息工程学院，现为同济大学材料科学与工程学院教授。他的研究方向主要集中于介电储能材料与器件、铁电与压电材料，以及半导体合金薄膜材料与器件领域。
